CN1232831C - 电容型电力设备介质损耗在线监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线监测电容型电力设备介质损耗的方法和装置，采用在设备接地线上套接高精度微电流传感器，并在变电站电压互感器低压输出上安装电阻分压器，利用计算机进行分析处理和结果显示，实现电力设备泄漏电流信号在线监测；该装置由高精密微电流传感器、电阻分压器、信号电缆、信号调理器、数据采集卡、数字IO卡、计算机等构成。本发明的方法和装置，能够根据设备泄漏电流值的大小校准由硬件引起的相位偏移，能够剔除测量的异常值，采用频谱分析法和相关法计算介质损耗，上述方法保证了测量的准确性，该装置还计算了电力设备泄漏电流的均方值。该装置通过ORACLE实现数据的管理，具有历史查询功能，还具有报表打印、阈值报警、远程查询等功能。

Description

电容型电力设备介质损耗在线监测方法及装置

技术领域

本发明属于电力设备在线监测技术领域，涉及一种在线监测电容型电力设备介质损耗的方法和装置。

背景技术

国民经济的迅速发展，对电力系统运行可靠性的要求进一步提高，电力设备在线监测技术是提高电力运行可靠性的重要途径。电容型电力设备在输变电系统中占有很大的比例，如变压器、电缆、套管等，这些电力设备在运行过程中受到电、热、机械、环境等因素的作用而发生老化，绝缘性能下降，成为事故隐患。介质损耗是反映电容型电力设备绝缘状况的重要绝缘指标，在线监测电力设备的介质损耗可以有效判断电力设备的绝缘老化状况，对电力设备的稳定运行具有十分重要的作用。

国内外开发的电力设备介质损耗检测装置可以分为两种类型，一种为离线测量，这种测量装置在使用时需要将被测的设备停电，适合于预防性试验；另一种带电测量，这种测量装置可以在设备正常运行时进行测量。现有的电力设备介质损耗带电测量装置以单片机为运算处理核心，如中国专利公开号1185585和中国专利公开号2200823，受到单片机功能的限制，致使装置的功能比较简单，不具有高级数据管理能力和远程数据查询功能，同时数字信号处理能力差，难以滤除现场强电磁干扰信号。中国专利公开号1188237公布了一种带电测量电容型电气设备介质损耗的方法及其装置，该装置采用平衡电桥原理和电容、电阻联合取样，能够提高测量精度，但是该装置需要手动调节，不适合实时自动监测。

随着国民经济的快速发展，迫切要求提高电力运行可靠性，以往以单片机为处理核心的检测装置由于功能简单，自动化水平低，难以满足电力运行部门对设备的自动化水平日益增高的要求。

发明内容

本发明的目的在于，采用虚拟仪器技术，提供一种电容型电力设备在线监测设备的方法及装置，具有测量精度高、界面友好、功能强大、自动化水平高等优点，能够满足电容型电力设备介质损耗自动化监测的迫切需要。本发明通过在线监测电容型电力设备的介质损耗，可以反映设备的绝缘状况，及时发现绝缘缺陷，消除故障隐患。

实现上述发明目的的技术解决方案是，一种电容型电力设备介质损耗在线监测方法，其特点是，采用在设备接地线上套接高精度微电流传感器，并在变电站电压互感器低压输出上安装电阻分压器，利用计算机进行分析处理和结果显示，实现电力设备泄漏电流信号在线监测；包括以下步骤：

1)在设备接地线上套接高精度微电流传感器，用于耦合电力设备泄漏电流信号，并经过信号电缆传输到位于监控室的第一信号调理器进行放大、滤波、信号隔离、多路选择处理之后，送入数据采集卡第一通道进行采集；

2)同时在变电站电压互感器端安装电阻分压器，获取参考电压信号，并经过信号电缆传输后送入位于监控室的第二信号调理器进行放大、滤波、信号隔离、多路选择处理之后，送入数据采集卡第二通道进行采集；采集时通过第二通道信号触发第一通道，以保证两个通道同时采集；

3)计算机将数据采集卡采集到的两路信号进行频谱分析和相关分析求出它们的角差，及角差的正切值，采用校准的方法消除硬件电路引起的相位偏移，最后剔除监测到的异常数据，进行显示和阈值报警；

4)同时计算电力设备泄漏电流的均方值；

5)计算机内设置有ORACLE数据库，用于对监测的数据进行数据管理和查询，通过编制的Web服务器软件实现远程监测。

频谱分析按照下述公式：

$I\left(t\right)=I_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{in}}),U\left(t\right)=U_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{un}})$

式中I(t)，U(t)分别为采集卡的第一通道和第二通道采集的数据，I₀，U₀分别为它们的直流分量，A_n，B_n分别为n次谐波的幅值，Φ_n为n次谐波的相位值。采用这种方法可以求出n＝1时两通道信号的基波相位，即Φ_i0和Φ_u0，tanδ＝tan(φ_i0-Φ_u0)。

相关分析方法按照下述公式：

其中， $R_{\mathrm{xy}}\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)y\left(i\right),R_x\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right),R_y\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2\left(t\right),$ x(i)与y(i)分别为采集卡的第一通道和第二通道采集的数据，N为采样点数。

校准方法按照公式： $\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\δ}}_{n+1}-{\mathrm{\δ}}_n}{I_{n+1}-I_n}(I-I_n)+{\mathrm{\δ}}_n,$ 式中I为所测泄漏电流幅值，I_n和I_n+1为I幅值所在的电流区间，δ_n和δ_n+1分别为它们对应的角差。最后剔除监测到的异常数据，进行显示和阈值报警；

按照下述公式 $I=\sqrt{\frac{I_1^2+I_2^2+I_3^2+\·\·\·+I_n^2+\·\·\·+I_N^2}{N}},$ 计算电力设备泄漏电流的均方值，其中 $I_n^2(n=\mathrm{1,2,3},\·\·\·\·\·\·,N)$ 为电流采样值，N为采样点数。

实现上述电容型电力设备介质损耗在线监测方法的装置，由信号电缆进行信号传输，其特点是：

套接在设备接地线上的高精度微电流传感器，用于耦合电力设备泄漏电流信号；

一对安装在监控室的信号调理器，用于对高精度微电流传感器的信号进行放大、滤波、信号隔离、多路选择处理；

设置在变电站电压互感器端的电阻分压器，用于获取参考电压信号；

一数据采集卡，用于对信号调理器经放大、滤波、信号隔离、多路选择处理之后的信号进行采集；

一数字IO卡，用于控制信号调理器、数据采集卡通道选通、增益调节以及滤波；

一计算机，用于实现电容型电力设备介质损耗的数据处理、结果显示、报警，和远程监测；

套接在设备接地线上的高精度微电流传感器及其电阻分压器将信号通过控制信号调理器送入数据采集卡中，计算机分别与数据采集卡、数字IO卡连通，数字IO卡还和控制信号调理器通讯。

本发明的其它一些特点是，所述的高精度微电流传感器采用罗氏线圈电流传感器，由外屏蔽盒、磁芯、线圈、积分电阻、信号输出插头以及放大电路构成。

所述的罗氏线圈电流传感器的磁芯为环形坡莫合金磁芯。

所述的积分电阻为50Ω，信号输出插头的特征阻抗也是50Ω。

所述的电阻分压器具有A、B、C三相，分别对应着电力设备的A、B、C三相。

所述的电阻分压器选用大功率的电阻串连分压，功率为4W。

所述的数据采集卡最高实时采样速率为20MS/s，模拟带宽为15MHz，A/D分辨率8位，输入电压范围-5V～+5V，并有两路模拟信号输入端。

所述的数字控制卡有三个端口，每个端口8位组成一个控制字，在每个端口上写入控制字实现控制功能。

本发明的电容型电力设备介质损耗在线监测装置具有强大的数字信号处理能力，能够有效滤除现场电磁干扰信号，可以计算设备的介质损耗值和对应的介质损耗角，以及设备交流泄漏电流的有效值，通过数据库对数据进行存储和历史数据查询，具有网络通讯功能，远程用户通过Internet Explorer可以实现远程监测和历史数据查询。

附图说明

图1为本发明专利的硬件构成示意图；图中数据采集卡和数字IO卡均为PCI总线，这两个卡都是插在计算机的PCI插槽上。

图2为系统检测原理图，需要说明的是计算机同时完成监测功能、数据管理(即数据库服务)和网络服务功能。

图3为传感器线圈示意图；

图4为电阻分压器结构示意图(其中R1为500kΩ，R2为2.5kΩ)；

图5为装置的软件结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图2，按照本发明的技术方案，电容型电力设备介质损耗在线监测方法采用套接在设备接地线上的高精度微电流传感器耦合电力设备泄漏电流信号，经过信号电缆传输到位于监控室的信号调理器进行放大、滤波、信号隔离、多路选择等处理之后，送入到安装在计算机内的数据采集卡0通道进行采集，同时利用安装在变电站电压互感器低压输出端的电阻分压器获取参考电压信号，经过信号电缆传输后送入信号调理器进行隔离等处理，送入到安装在计算机内的数据采集卡第二通道(1通道)进行采集，采集时通过第二通道(0通道)信号触发第一通道，以确保两通道同时采集。将采集到的两路信号进行频谱分析和相关分析求出它们的角差，采用软件校准的方法消除硬件电路引起的相位偏移，最后剔除监测到的异常数据，进行显示和阈值报警。该监测方法同时也计算了泄漏电流的均方值。在软件中，采用ORACLE数据库对监测的数据进行数据管理和查询，通过编制的Web服务器软件实现远程监测功能。

参见图1，本发明所涉及的电容型电力设备介质损耗在线监测方法的装置，由信号电缆进行信号传输，该装置包括：

套接在设备接地线上的高精度微电流传感器1，用于耦合电力设备泄漏电流信号；

一对安装在监控室的信号调理器2，用于对高精度微电流传感器1的信号进行放大、滤波、信号隔离、多路选择处理；

设置在变电站电压互感器端的电阻分压器3，用于获取参考电压信号；

一数据采集卡4，用于对信号调理器2经放大、滤波、信号隔离、多路选择处理之后的信号进行采集；

一数字IO卡5，用于控制信号调理器2、数据采集卡4通道选通、增益调节以及滤波；

一计算机6，用于实现电容型电力设备介质损耗的数据处理、结果显示、报警，和远程监测；

数据采集卡4和数字IO卡5均为PCI总线，这两个卡都是插在计算机6的PCI插槽上。

套接在设备接地线上的高精度微电流传感器1及其电阻分压器3将信号通过控制信号调理器2送入数据采集卡4中，计算机6分别与数据采集卡4、数字IO卡5连通，数字IO卡5还和控制信号调理器2通讯。

高精度微电流传感器采用罗氏线圈电流传感器，由外屏蔽盒、磁芯、线圈、积分电阻、信号输出插头以及放大电路构成。其中磁芯为环形坡莫合金磁芯，具体尺寸取决于所监测设备的接地线截面积。线圈采用漆包线绕制(参见图3)，匝数取决于设备泄漏电流的大小，一般100～700匝。积分电阻为50Ω，信号输出插头的特征阻抗也是50Ω。传感器为环形，套接在设备接地线耦合泄漏电流信号，不影响电缆的正常运行。传感器采用多层屏蔽技术抑制现场干扰，从里到外的屏蔽材料依次为坡莫合金薄膜、铁皮薄膜、铜屏蔽盒。传感器的放大电路采用多级放大技术，总放大倍数为105～107之间，4阶可调节。

电阻分压器用于从电压互感器上分压(参见图4)，获取电压信号，作为分析介质损耗的相位参考信息。电阻分压器具有A、B、C三相，分别对应着电力设备的A、B、C三相。电阻分压器的选用大功率的电阻串连分压，电阻分别为500kΩ和2.5KΩ，功率都是4W。

信号调理器安装在监控室，能够对泄漏电流信号进行程控放大、滤波、多路选择、信号隔离，也能对电阻分压器的输出信号进行信号隔离。该器件具有的程控放大或者衰减倍数有1、2、5、10、20、50、100倍，选择合适的放大倍数，将放电信号调理到采集板卡最佳信号输入范围，以减小采集卡A/D转换时的量化误差。该器件具有100Hz的低通滤波模块，以减小电流信号在经过长距离传输时可能引入的干扰信号。该器件具有多路选择功能，因为它有多个信号输入端，包括电力设备三相的泄漏电流信号和电阻分压器输出的相位参考电压信号，在每次检测时需要选择一路泄漏电流信号和一路相位参考电压信号进行处理。

所采用的数据采集卡最高实时采样速率为20MS/s，模拟带宽为15MHz，A/D分辨率8位，输入电压范围-5V～+5V。该卡具有两路模拟信号输入端，可以同时采集泄漏电流信号和电压参考信号。

所采用的数字控制卡具有三个端口，每个端口8位组成一个控制字，可以在每个端口上写入控制字来实现控制功能。通过该数字控制卡控制通道选通、增益调节以及滤波模块。

计算机实现的功能包括采集、计算、校准、异常结果剔除、结果显示、阈值报警、报表打印、网络传输等。计算机控制采集板卡同时采集泄漏电流信号和电压参考信号，采用频谱分析法和相关法计算它们的角差，频谱分析法按照公式：

$I\left(t\right)=I_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{in}}),U\left(t\right)=U_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{un}}),$ 式中I，U分别为采集卡的第一通道和第二通道采集的数据，I₀，U₀分别为它们的直流分量，A_n，B_n分别为n次谐波的幅值，Φ_n为n次谐波的相位值。采用这种方法可以求出n＝1时两通道信号的基波相位，即φ_i0和Φ_u0，tanδ＝tan(φ_i0-Φ_u0)。

相关分析方法按照下述公式：

其中， $R_{\mathrm{xy}}\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)y\left(i\right),R_x\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right),R_y\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2\left(i\right),$ x(i)与y(i)分别为采集卡的第一通道和第二通道采集的数据，N为采样点数。

两种方法得到的正切值就是设备的介质损耗，按照泄漏电流值的大小对结果进行校准，以补偿硬件电路因不同泄漏电流值所产生的相位偏移，对计算的异常结果进行剔除，计算机还求取泄漏电流的有效值。完成参数计算之后，计算机进行结果显示、报警，通过ORACLE数据库存储测量数据。在计算机上安装了网络服务器软件，远程用户可以利用Internet Explorer，通过访问本装置中计算机的IP地址，能查看当前监测结果和查询历史数据。

软件结构参见图5。申请人按照本发明的方案已完成样机一台，通过采集板卡和和计算机构建装置的采集和分析平台，具有界面友好、计算功能强等特点。经试验证明，能够用于在线监测电容型电力设备的介质损耗和泄漏电流值，能够根据泄漏电流值的大小对硬件电路引起的不同的相位偏移进行校准，能够剔除异常结果，通过ORACLE数据库实现数据的管理，具有历史数据查询功能，同时还具有报表打印、阈值报警、远程查询等功能。

Claims (8)

1.一种电容型电力设备介质损耗在线监测方法，其特征在于，采用在设备接地线上套接高精度微电流传感器，并在变电站电压互感器低压输出上安装电阻分压器，利用计算机进行分析处理和结果显示，实现电力设备泄漏电流信号在线监测；包括以下步骤：

1)在设备接地线上套接高精度微电流传感器，用于耦合电力设备泄漏电流信号，并经过信号电缆传输到位于监控室的第一信号调理器进行放大、滤波、信号隔离、多路选择处理之后，送入数据采集卡第一通道进行采集；

2)同时在变电站电压互感器端安装电阻分压器，获取参考电压信号，并经过信号电缆传输后送入位于监控室的第二信号调理器进行放大、滤波、信号隔离、多路选择处理之后，送入数据采集卡第二通道进行采集；采集时通过第二通道信号触发第一通道，以保证两个通道同时采集；

3)计算机将数据采集卡采集到的两路信号进行频谱分析和相关分析求出它们的角差，及角差的正切值，采用校准的方法消除硬件电路引起的相位偏移，最后剔除监测到的异常数据，进行显示和阈值报警；

4)同时计算电力设备泄漏电流的均方值；

5)计算机内设置有ORACLE数据库，用于对监测的数据进行数据管理和查询，通过编制的Web服务器软件实现远程监测；

上述频谱分析按照下述公式进行：

$I\left(t\right)=I_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{in}}),U\left(t\right)=U_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{un}})$

式中I(t)，U(t)分别为采集卡的第一通道和第二通道采集的数据，I₀，U₀分别为它们的直流分量，A_n，B_n分别为n次谐波的幅值，Φ_n为n次谐波的相位值。采用这种方法可以求出n＝1时两通道信号的基波相位，即Φ_i0和Φ_u0，tanδ＝tan(Φ_i0-Φ_u0)；

相关分析方法按照下述公式：

其中， $R_{\mathrm{xy}}\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)y\left(i\right),R_x\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right),R_y\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2\left(i\right),$ x(i)与y(i)分别为采集卡的第一通道和第二通道采集的数据，N为采样点数；

校准方法按照公式： $\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\δ}}_{n+1}-{\mathrm{\δ}}_n}{I_{n+1}-I_n}(I-I_n)+{\mathrm{\δ}}_n$

式中I为所测泄漏电流幅值，I_n和I_n+1为I幅值所在的电流区间，δ_n和δ_n+1分别为它们对应的角差；

计算电力设备泄漏电流的均方值按公式： $I=\sqrt{\frac{I_1^2+I_2^2+I_3^2+\·\·\·+I_n^2+\·\·\·+I_N^2}{N}},$

其中I_n ²(n＝1，2，3，……，N)为电流采样值，N为采样点数。

2.一种实现权利要求1所述的电容型电力设备介质损耗在线监测方法的装置，由信号电缆进行信号传输，其特征在于，该装置包括：

套接在设备接地线上的高精度微电流传感器(1)，用于耦合电力设备泄漏电流信号；

一对安装在监控室的信号调理器(2)，用于对高精度微电流传感器(1)的信号进行放大、滤波、信号隔离、多路选择处理；

设置在变电站电压互感器端的电阻分压器(3)，用于获取参考电压信号；

一数据采集卡(4)，用于对信号调理器(2)经放大、滤波、信号隔离、多路选择处理之后的信号进行采集，数据采集卡(4)最高实时采样速率为20MS/s，模拟带宽为15MHz，A/D分辨率8位，输入电压范围-5V～+5V，并有两路模拟信号输入端；

一数字IO卡(5)，用于控制信号调理器(2)、数据采集卡(4)通道选通、增益调节以及滤波；

一计算机(6)，用于实现电容型电力设备介质损耗的数据处理、结果显示、报警，和远程监测；

套接在设备接地线上的高精度微电流传感器(1)及其电阻分压器(3)将信号通过控制信号调理器(2)送入数据采集卡(4)中，计算机(6)分别与数据采集卡(4)、数字IO卡(5)连通，数字IO卡(5)还和控制信号调理器(2)通讯。

3.如权利要求2所述的电容型电力设备介质损耗在线监测方法的装置，其特征在于，所述的高精度微电流传感器(1)采用罗氏线圈电流传感器，由外屏蔽盒、磁芯、线圈、积分电阻、信号输出插头以及放大电路构成。

4.如权利要求3所述的电容型电力设备介质损耗在线监测方法的装置，其特征在于，所述的罗氏线圈电流传感器的磁芯为环形坡莫合金磁芯。

5.如权利要求3所述的电容型电力设备介质损耗在线监测方法的装置，其特征在于，所述的积分电阻为50Ω，信号输出插头的特征阻抗也是50Ω。

6.如权利要求2所述的电容型电力设备介质损耗在线监测方法的装置，其特征在于，所述的电阻分压器(3)具有A、B、C三相，分别对应着电力设备的A、B、C三相。

7.如权利要求2或6所述的电容型电力设备介质损耗在线监测方法的装置，其特征在于，所述的电阻分压器(3)选用大功率的电阻串连分压，功率为4W。

8.如权利要求2所述的电容型电力设备介质损耗在线监测方法的装置，其特征在于，所述的数字IO卡(5)有三个端口，每个端口8位组成一个控制字，在每个端口上写入控制字实现控制功能。

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